La nuova svolta di Qubit potrebbe rivoluzionare l’informatica quantistica

Nuova piattaforma qubit. Gli elettroni del filamento di luce riscaldato (sopra) atterrano su un neon solido (blocco rosso), dove un elettrone (rappresentato come una funzione d’onda in blu) è intrappolato e controllato da un circuito quantistico superconduttore (modello sotto). Prestito da Dafey Jin / Argon National Laboratory

La nuova piattaforma qubit potrebbe trasformare la scienza e la tecnologia dell’informazione quantistica.

Probabilmente stai guardando questo articolo su un dispositivo digitale la cui unità di base delle informazioni è bit, 0 o 1. Gli scienziati di tutto il mondo stanno lottando per sviluppare un nuovo tipo di computer basato sull’uso di bit quantistici o qubit.

In un articolo pubblicato sulla rivista il 4 maggio 2022 Natura:Il team guidato dall’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha annunciato la creazione di una nuova piattaforma qubit, che è formata congelando gas neon in materiale solido a temperature molto basse, spruzzando elettroni dal filamento della lampada sul solido e chiudendo un elettrone lì. Questo sistema ha il potenziale per diventare l’elemento costitutivo perfetto per i futuri computer quantistici.

“Sembra che un qubit ideale possa apparire all’orizzonte. “A causa della relativa semplicità della piattaforma elettrone-neon, dovrebbe essere adatta per la produzione a basso costo”. – Daphne Jean, scienziata Argon presso il Nanoscale Materials Center

I requisiti di qualità dei qubit sono estremamente esigenti per creare un utile computer quantistico. Oppure ci sono diversi tipi di qubit oggi, nessuno dei quali è ottimale.

Cosa renderà un qubit ideale? Secondo Dafey Jin, il capo investigatore di Argonaut sul progetto, ha almeno tre proprietà in sterline.

Può rimanere nella posizione 0 և 1 per molto tempo alla volta (ricordate il gatto). Gli scienziati la chiamano una lunga “corrispondenza”. Idealmente, questa volta sarebbe di circa un secondo, un passo nel tempo che possiamo percepire sull’orologio nella nostra vita quotidiana.

In secondo luogo, il qubit può passare da uno stato all’altro in breve tempo. Idealmente, quel tempo sarebbe un miliardesimo di secondo (nanosecondo), che è il passo temporale di un classico orologio per computer.

Terzo, qubit può essere facilmente collegato a molti altri qubit in modo che possano funzionare in parallelo. Gli scienziati chiamano questa connessione entanglement.

I qubit noti non sono l’ideale al momento, ma aziende come IBM, Intel, Google, Honeywell – molte startup – hanno scelto il loro preferito. Perseguono aggressivamente il miglioramento tecnologico e la commercializzazione.

“Il nostro ambizioso obiettivo non è competere con queste aziende, ma scoprire e costruire un sistema di qubit completamente nuovo che possa portare a una piattaforma ideale”, ha affermato Jean.

Sebbene esistano molti tipi di qubit, il team ha scelto il più semplice: un elettrone. Alleggerire il semplice filamento che puoi trovare in un giocattolo per bambini può facilmente rilasciare una scorta infinita di elettroni.

Una delle sfide per qualsiasi qubit, incluso l’elettrone, è che è molto sensibile ai disturbi che lo circondano. Quindi il team ha deciso di intrappolare l’elettrone su una superficie al neon solida super solida nel vuoto.

Il neon è uno dei pochi elementi inerti che non reagisce con altri elementi. “A causa di questa inerzia, il neon solido può fungere da vuoto solido più pulito possibile per proteggere l’host da eventuali qubit”, ha affermato Jean.

Il componente principale della piattaforma qubit del team è un superconduttore realizzato sulla scala di un chip risonatore a microonde. (Un forno a microonde domestico molto più grande è anche un risonatore a microonde).[{” attribute=””>absolute zero with minimal loss of energy or information.

“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper

The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.

The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.

Leave a Comment

Your email address will not be published.